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 3 Gleichstrommotoren

3.1 Geschichtliche Entwicklung

Als erster elektromechanischer Energiewandler wurde der Gleichstrommotor entwickelt. Die Energieversorgung erfolgte über die in den Anfängen der Elektrotechnik entwickelten galvanischen Elemente, die nur Gleichspannung lieferten. Die Entwicklung des Gleichstrommotors ist eng mit dem Namen A.Pacinotti verbunden, der im Jahre 1860 einen Motor mit Ringwicklung und vierteiligem Stromwender (siehe Kapitel 3.3) fertigte.
Auf Pacinotti folgte Gramme, der den Ringanker erfand. Dieser Anker arbeitete allerdings mit erheblichen Leistungsverlusten, da die Spulenhälften innerhalb des Läufers nicht genutzt werden konnten. Eine entscheidende Verbesserung der Funktionsweise des Gleichstrommotors erreichte Friedrich von Hefner Alteneck. Der deutsche Konstrukteur umwickelte im Jahre 1872 einen zylinderförmigen Anker vollständig mit Draht und hatte somit den heute noch gebräuchlichen Trommelanker (siehe Kapitel 3.5.2.1) erfunden.
Etwa um das Jahr 1890 verlor der Gleichstrommotor mit der Einführung des Drehstroms seine Vormachtstellung an die Induktionsmotoren (siehe Kapitel 5).
 

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3.2 Leistungs- und Anwendungsbereich

Der Gleichstrommotor ist eine elektrische Maschine, die sehr einfach in der Drehzahl und im Drehmoment verstellbar ist und deshalb in allen Größenordnungen gebaut wird. So gibt es Motoren mit unter einem Watt Leistung für die Feinwerktechnik oder Großmaschinen, die bei einer Spannung von 1500 V Leistungen von über 10.000 kW aufnehmen. Weit verbreitet sind dauermagneterregte Motoren bis zu ca. 100 W, die in großer Stückzahl für die Kfz-Elektrik gefertigt werden. Dort werden sie als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellmotoren eingesetzt. In der Industrie kommen Gleichstrommotoren vor allem in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Walzstraßen vor. In Nahverkehrsbahnen werden sie als Fahrmotoren verwendet.
 

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3.3 Aufbau eines Gleichstrommotors

Der Gleichstrommotor ist eine Außenpolmaschine, d.h. im Erregerfeld des Hauptpols ist eine sich drehende Leiterschleife gelagert. Vereinfacht man seinen Aufbau wie in Bild 3.1 (nächste Seite) wesentlich, so besteht der Gleichstrommotor aus zwei grundlegenden Bauteilen: erstens aus einem Hauptmagneten, der am Ständer (Stator) befestigt ist und an dem sich die Erregerwicklungen (Spulen) befinden; zweitens aus dem als Leiterschleife bereits erwähnten Anker (Rotor), an dessen geblecht ausgeführtem Ankerkern die Ankerwicklungen aufgebracht sind.
Bei den beiden erwähnten Teilen handelt es sich um Magnete, die miteinander in Wechselwirkung treten und so die Rotationsbewegung des Ankers verursachen.
In Bild 3.1 können wir erkennen, daß es sich bei den Erregerwicklungen nicht immer um Spulen handeln muß. Auch dauermagneterregte Motoren sind möglich. Wir haben es hier mit einem zweipoligen Gleichstrommotor mit der Polpaarzahl p = 1 zu tun, weil Nord- und Südpol die Feldkomponenten eines Magneten sind.
Der abgebildete Anker heißt Doppel-T-Anker. Er hat die einfachste Form, die für den Anker einer Gleichstrommaschine möglich ist. Seinen Namen hat er von seiner Form erhalten, die an zwei zusammengesetzte "T`s " erinnert.
Bild 3.1
Die Anfänge und Enden der Ankerspulen sind an die Lamellen des Kommutators (auch Stromwender bzw. Kollektor) angeschlossen (in Abbildung 3.1 blau und orange dargestellt). Der Kommutator muß also pro Wicklung, die sich am Anker befindet, je zwei Lamellen (Kupfersegmente) aufweisen. Die Lamellen sind oft durch Mikanit-Zwischenlagen isoliert und bilden in ihrer Gesamtheit den zylinderförmigen Kommutatorbelag. Die Stromzufuhr in der Ankerwicklung erfolgt über Kohlebürsten (in Bild 3.1 durch kleine rote Rechtecke gekennzeichnet), die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und so die Spulen mit Strom versorgen. Kohle verwendet man deshalb, da es sich hierbei um einen relativ guten Leiter handelt, der zudem beim Gleitkontakt mit dem Stromwender die Funktion eines Schmiermittels erfüllt, indem kleine Kohlepartikel von der Kohlebürste abgeschliffen werden und sich auf der Kollektoroberfläche als Gleitmittel ansammeln.
Kommutator und Bürsten kann man auch als einen mechanischen Schalter oder Wechselrichter verstehen, der beim Durchgang des Kollektors durch die neutrale Zone (Totpunkt, Nulldurchgang) die Stromrichtung umkehrt.
Der Ständer, der in Bild 3.1 ein Dauermagnet ist, stellt den gesamten äußeren Teil des Motors dar. An ihm sind neben den Erregerwicklungen die Polschuhe, Wendepole und Kompensationswicklungen angebracht, auf die später noch ausführlich eingegangen wird. Der Ständer ist gleichzeitig auch der Jochring, der den magnetischen Rückschluß der Hauptpole garantiert. Die Feldlinien, die in Bild 3.2 stets vom Nordpol zum Südpol zeigen, haben in Wirklichkeit keinen Anfang und kein Ende, man kann sich vielmehr vorstellen, daß sie nach Erreichen des Nordpols wieder zum Südpol zurückkehren; allerdings beschreiben sie dabei nicht denselben Weg. Den "Rückweg" nehmen sie nämlich über den Ständer des Motors, um zum "Ausgangspunkt" (= Nordpol) zu gelangen. 

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3.4 Funktionsweise eines Gleichstrommotors

Wie wir bereits in Kapitel 3.3 gehört haben, setzt sich ein Gleichstrommotor im Prinzip aus einem feststehenden Stator, an dem die Feldmagneten angebracht sind, und einem rotierenden Anker, zusammen. In Bild 3.2 (nächste Seite) sind die Pole des Feldmagneten durch N = Nordpol und S = Südpol gekennzeichnet. Der Anker, der sich im Luftspalt des Feldmagneten dreht, wird in der Abbildung mittels eines Balkens und zweier Kreise dargestellt, die in Bild 3.2 a) die beiden Spulenhälften der Ankerwicklung und in den Bildern 3.2 b), c) und d) die jeweilige Stromrichtung symbolisieren sollen.
Unter 1.1 haben wir das elektrodynamische Gesetz kennengelernt. Es besagt, daß auf eine stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld die Kraft F=I l B wirkt. Außerdem konnten wir in Bild 1.1 erkennen, daß ein stromdurchflossener Leiter von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben ist. Kombinieren wir nun das Magnetfeld des Feldmagneten mit dem Magnetfeld der Leiterschleife, so können wir eine Überlagerung der beiden Felder sowie eine daraus resultierende Kraftwirkung feststellen.
Bild 3.2 a) b) c) d) e)
In Bild 3.2 a) erkennen wir, daß der Anker parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist. Die Ankerwicklung setzt sich aus zwei Spulenhälften zusammen, die als Kreise am jeweiligen oberen und unteren Ende des Ankers dargestellt sind (siehe Bild 3.2 a)). Legen wir nun eine Gleichpannung an die beiden Enden der Ankerwicklung (Bild 3.2b) ), können wir uns vorstellen, daß die bewegten Ladungsträger in die untere Spulenhälfte hineinfließen (Kreis mit Punkt) und aus der oberen Spulenhälfte wieder herausfließen (Kreis mit Kreuz). Eine jede stromdurchflossene Spule entwickelt ein eigenes Magnetfeld, sodaß es nun zu einer Überlagerung des Erregerfeldes mit dem Feld der unteren Spulenhälfte und dem Feld der oberen Spulenhälfte kommt. Die Feldlinien des Erregerfeldes sind immer gleich gerichtet, sie zeigen stets vom Nordpol zum Südpol. Die Felder der beiden Spulenhälften hingegen, in Bild 3.2 b) durch Kreise mit je einem Pfeil dargestellt, haben entgegengesetzte Richtung. Betrachten wir in Bild 3.2 c) die untere Spulenhälfte, so erkennen wir, daß auf der linken Seite des Feldes der Spulenhälfte die Feldlinien von Erregerfeld und Spulenfeld die gleiche Richtung aufweisen. Man sieht deutlich, wie es auf dieser Seite zu einer Verdichtung der Feldlinien kommt. Die zusammengedrängten Feldlinien haben die Eigenschaft, sich voneinadnder abzustoßen, sodaß es zu einer Kraftwirkung in Richtung des verminderten Feldbereichs (in Bild 3.2 c), d), e) durch einen weiße Pfeile dargestellt) kommt.
Betrachten wir nun in Bild 3.2 c) die obere Spulenhälfte: Die Feldlinien dieser Spulenhälfte zeigen auf ihrer rechten Seite in die gleiche Richtung wie die Feldlinien des Erregerfeldes. Es kommt hier wiederum zu einer Verdichtung der Feldlinien und zu einer Ablenkung des Ankers in Richtung des geschwächten Feldbereichs (ebenso durch weiße Pfeile dargestellt).
Aufgrund dieser Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen Ende des Ankers entsteht ein Drehmoment. Dieses Drehmoment wiederum verursacht die Rotationsbewegung des Ankers.
Bild 3.2 e) stellt die Kraftwirkung auf einen Trommelanker dar, der bei zahlreichen handelsüblichen Gleichstrommotoren eingesetzt wird. Wir erkennen unschwer, daß dieser Anker nicht nur eine Leiterschleife bzw. Ankerwicklung aufweist, sondern gleich mehrere. Demzufolge muß sich auch die Kraftwirkung auf den Anker sowie das von ihm abgegebene Drehmoment vergrößern.
Bei Elektromotoren wird das Drehmoment durch das Zusammenwirken von Ständermagnetfeld und Ankermagnetfeld gebildet. Der durch die Ankerwicklungen fließende Strom erzeugt nämlich um jede einzelne Windung der Ankerspule ein durch konzentrische Kreise darstellbares Magnetfeld. Die Gesamtheit dieser Magnetfelder erzeugt das Ankerfeld. Dieses bewirkt im Ständermagnetfeld eine Kraft F, sodaß sich ein Drehmoment bildet.
Durch Messung der Kraft F am Umfang der Antriebsscheibe des Motors kann das abgegebene Drehmoment bestimmt werden.

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3.5 Die wichtigsten Bauteile eines Gleichstrommotors

3.5.1 Der Ständer (Stator)

In Kapitel Kapitel 3.3 haben wir die grundlegende Funktion des Ständers oder Stators bereits angedeutet. Er dient zum einen als Halterung für die verschiedenen erforderlichen Wicklungen (Erregerwicklung, Kompensationswicklung, Wendepolwicklung), die an ihm angebracht sind, zum anderen gewährt er den äußeren magnetischen Rückschluß der Hauptpole, in deren innerem Feld (Luftspalt) sich der drehbar gelagerte Anker befindet.
Den magnetischen Rückschluß (siehe Kapitel 3.4) können wir uns folgendermaßen erklären, falls wir uns die Feldlinien des Hauptmagneten, die am Nordpol des Magneten "beginnen ", als einen durchgehenden Feldlinienkreis vorstellen: Ausgehend vom Nordpol gehen die Feldlinien durch den Anker zum Südpol, um sich dort aufzuteilen und über den Ständer zum Nordpol zurückzugelangen. Hier beginnt der Kreis von neuem. Unter magnetischem Rückschluß versteht man also das "Rückleiten" der Feldlinien an ihren "Ausgangspol".
Außer diesen beiden wichtigen Funktionen hat der Ständer natürlich auch die Aufgabe, den Motor vor mechanischen Einwirkungen von außen zu schützen bzw. die Standfestigkeit des Motors zu gewährleisten. Motoren größerer Bauart können an einem am Ständer angeschweißten Ring aus ihrer Verankerung gehoben werden, um transportiert zu werden.

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3.5.2 Der Anker (Rotor)

Wir haben uns bereits in Kapitel 3.3 und Kapitel 3.4 mit den wichtigsten Eigenschaften des Ankers auseinandergesetzt und erfahren, daß er ein gelagertes Bauteil eines Motors ist, das im Magnetfeld eines Elektro- bzw. Dauermagneten eine Drehbewegung ausführt. Nun wollen wir den Anker von seinem Aufbau her betrachten.
Der Anker besteht aus einer Welle aus Stahl, die ein Blechpaket aus einzelnen zusammengepreßten Dynamoblechen trägt. Diese Dynamobleche sind auf jeweils einer Seite isoliert, weisen eine Stärke von 0,5 mm auf und haben eine bestimmte Form: Stellt man sich eine gestanzte kreisförmige Blechscheibe vor, von der man in einem bestimmten Abstand Kreissegmente abschneidet, so erhält man ein sternförmiges Gebilde. Preßt man nun eine Menge solcher sternförmiger Scheiben aneinander, erhält man einen Zylinder, der mehrere längsseitige Einkerbungen aufweist. Diese Einkerbungen liegen sich genau gegenüber. Sie werden Nuten genannt und dienen der Aufnahme der Ankerwicklungen. Nach dem Einfügen der Anker-wicklungen in die Nuten werden diese mit einem Keil verschlossen. Bei Maschinen mit kleineren Leistungen verwendet man halbgeschlossene, konische Nuten mit parallelen Zahnflanken und einer Runddrahtwicklung. Für große Leistungen sind parallele Nutflanken mit Schwalbenschwanzkeil und einer Profildrahtwicklung üblich. Nun bringt man das gesamte Blechpaket mit seinen Wicklungen noch auf eine Welle auf und preßt es mit Hilfe von Preßringen fest aneinander. Als Ergebnis erhält man einen Anker einer Gleichstrommaschine.

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3.5.2.1 Der Trommelanker

Bild 3.3 Trommelanker
In Kapitel 3.1 wurde A.Pacinotti erwähnt, der den Anker mit Ringwicklung erfunden hat. Dieser Anker wird wegen seines einfachen Aufbaus gerne zur prinzipiellen Darstellung von Elektromotoren, aber in der Praxis selten verwendet, da die Verbindungsleitungen der oberen Leiterstäbe zwischen Ankerblech und Welle hindurchgeführt werden müssen. Zur Spannungsbildung tragen diese Rückleiter allerdings nicht bei, da der Innenraum praktisch feldfrei ist. Der heute übliche Trommelanker vermeidet diesen Nachteil, indem seine Wicklung die Innenleiter unter einen äußeren Stab der nächsten Polteilung legt. Im Rückleiter einer jeden Spule wird so eine negative Spannung wie im Hinleiter induziert und somit die Gesamtspannung im Vergleich zur Ringwicklung verdoppelt.
Da jede Spule mit Anfang und Ende an je eine Stromwenderlamelle angeschlossen ist, stimmt die Anzahl der Spulen mit der Lamellen- oder Stegzahl K überein. Die Nutzahl Q des Ankers wird im allgemeinen kleiner als die Lamellenzahl gewählt, sodaß u = K / Q Spulenseiten einer Schicht nebeneinander im Anker liegen.
 
 

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3.5.2.2 Der Doppel-T-Anker

Bild 3.4
Ein Doppel-T-Anker besteht aus einer Spule, die um einen Eisenkern gewickelt ist (siehe Bild 3.4). Im Schwerpunkt des Eisenkerns befindet sich eine Bohrung, durch die die Welle durchgeschoben wird. Den Namen hat der Doppel-T-Anker von der Form seines Eisenkerns erhalten, der nämlich an ein aufrechtes "T" erinnert, an das unten ein kopfstehendes "T" angesetzt ist (siehe auch Kapitel 3.3). Motoren mit einem solchen Anker müssen meist angeworfen werden, da sie nicht in jeder Position aus eigener Kraft anlaufen können (z.B. waagrechte Lage des Rotors).
 
 

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3.5.2.3 Der Dreifach-T-Anker

Im Unterschied zum Doppel-T-Anker können Motoren mit
Bild 3.5
Dreifach-T-Anker (siehe Bild 3.5) aus jeder bliebigen Position anlaufen, da die Magnetpole des Ankers so entstehen, daß sich die Kräfte auf die Ankermagnetfelder nicht selbst aufheben können.Wie schon der Name vermuten läßt, besteht der Dreifach-T-Anker aus drei T-förmi-gen Teilen, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Der Kollektor ist mit drei Segmenten (Lamellen) belegt. An jede Lamelle sind dabei je ein Spulenanfang bzw. ein Spulenende zweier benachbarter Wicklungen angebracht.
 
 


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3.5.3 Der Stromwender

Der Stromwender (auch Kollektor oder Kommutator, siehe Kapitel 3.3) wird heute überwiegend aus Preßstoff gefertigt. In die Preßstoffmasse sind keilförmige Kupfersegmente, man nennt sie auch Stege oder Lamellen, eingelassen, die durch eine 0,5 bis 1 mm starke Isolierschicht voneinander getrennt sind.
Die Stromwenderlamellen sind mit der Ankerwicklung durch Löten oder Punkt-schweißen verbunden. Der Anfang einer Wicklung ist dabei an eine bestimmte Lamelle gelötet, während das Ende der Wicklung genau an einem dieser Lamelle gegenüberliegenden Segment angebracht ist.
Am Ständer der Gleichstrommaschine sind Halter angebracht, damit Bürsten aus Kohle oder Graphit am Umfang des Stromwenders gleiten können. Die Bürstenhalter sitzen meist auf Bürstenbolzen und sind an einer drehbaren Bürstenbrücke befestigt.
Wird über Bürsten und Kollektor ein elektrischer Gleichstrom in die Ankerspulen geleitet, üben Ankermagnetfeld und Ständermagnetfeld eine Wechselwirkung aufein-ander aus, d.h. am Anker greift eine mechanische Kraft an. Mit dem ektrodynamischen Gesetz gilt folgende Gleichung: F = I l B.
Für die Drehbewegung des Ankers ist allerdings nicht die wirkende Kraft, sondern das am Umfang des Ankers angreifende Drehmoment ausschlaggebend, welches den Betrag M=F r cos a hat. Bei horizontaler Lage der Leiterschleife (a = 90°) ist M = 0, da der Winkel a immer senkrecht zur Schleife gemessen wird.
Um eine Weiterdrehung der Schleife zu ermöglichen, muß die Stromrichtung im Moment des Durchgangs des Kommutators durch den Totpunkt umgekehrt werden. Mit der Stromrichtung dreht sich auch die auf die Schleife wirkende Kraft sowie das Drehmoment um. Bei der in Kapitel 3.3 beschriebenen zweipoligen Maschine muß die Stromumkehr also alle 180° erfolgen.

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3.6 Die magnetischen Felder beim Gleichstrommotor

Bild 3.6
In Kapitel 3.4 und Kapitel 3.5 haben wir bereits gehört, daß eine Leiterschleife ein eigenes Magnetfeld (Ankerfeld) aufbaut, falls man einen konstanten Gleichstrom durch die Ankerwicklungen schickt. Neben diesem Feld gibt es noch drei andere wichtige Felder: Das magnetische Hauptfeld, das Wendepolfeld und das Feld der Kompensationswicklungen. In Bild 3.6 erkennen wir die Richtung der Feldlinien der einzelnen Felder, jeweils durch verschiedenartig gestrichelte Feldlinien dargestellt. Die grundlegende Wirkung und Bedeutung dieser Felder soll nun beschrieben werden:
 
 




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3.6.1 Das magnetische Hauptfeld

Das magnetische Hauptfeld wird vom Erregerstrom in den auf den Hauptpolen angeordneten Erregerwicklungen erzeugt. Zum Verstärken des magnetischen Hauptfeldes sind um die Erregerwicklungen sogenannte Polschuhe (in Bild 3.7 einfach als Hauptpole bezeichnet) angebracht, die eine möglichst große Anzahl an Ankerwicklungen erfassen sollen. Falls die Erregerwicklung vom Ankerstrom durflossen wird, nennt man diese Maschine Reihenschlußmotor, falls die Erregerwicklung von einem unabhängig vom Ankerstrom einstellbaren Erregerstrom durchflossen wird, Nebenschlußmotor.

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3.6.2 Das magnetische Wendefeld

Bild 3.7 Wendepole
Da sich während der Kommutierungszeit der magnetische Fluß F innerhalb der Ankerwicklung ändert, wird in den Wicklungen eine sogenannte Stromwendespannung induziert. Diese Stromwendespannung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: Der Ankerfeldspannung und der Reaktanzspannung. Die Ankerfeldspannung entsteht durch das Umpolen des Ankerfeldes, die Reaktanz-spannung durch das Umpolen des Streuflusses der kommutierenden Spule. Als Streufluß werden jene Feldlinien bezeichnet, die nicht den rotierenden Magneten des Ankers durchsetzen. Die Stromwendespannung verzögert den Stromwendevorgang. Die Stromwendung darf aber nicht verzögert werden, solange die kommutierende Spule über die Bürste kurzgeschlossen ist. Ist dies nämlich der Fall, so könnte zwischen der Bürste und dem ablaufenden Kommutatorsegment ein Lichtbogen entstehen. Dieser Lichtbogen wird als Bürstenfeuer bezeichnet. Er beschädigt auf Dauer nicht nur die Bürsten und die Kollektoroberfläche, sondern führt auch zu Funkstörungen in anderen Elektrogeräten (z.B. Fernsehen, Radio, CB Funk).
Um diese schädigende Wirkung der Stromwendespannung zu unterbinden, sind auf der Höhe des Nulldurchgangs die sogenannten Wendepole (siehe Bild 3.7) angebracht. Die Wicklungen der Wendepole werden vom Ankerstrom durchflossen und erzeugen dadurch ein Wendefeld, welches das Ankerfeld in der Wendezone aufhebt und in den kommutierenden Leitern eine Spannung induziert, die etwa gleich groß wie die Reaktanzspannung, dieser aber entgegengesetzt ist.

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3.6.3Die Kompensationswicklungen

Die von einem konstanten Gleichstrom durchflossene Ankerwicklung erzeugt ebenfalls ein magnetisches Feld, welches sich mit dem Hauptfeld überlagert, sodaß ein resultierendes Feld entsteht. Dieser Vorgang wird als Ankerrückwirkung bezeichnet. Der Scheitelpunkt des resultierenden Feldes ist zur Polkante verschoben. Die Polspitze wird magnetisch gesättigt. Infolge der Sättigung tritt eine Schwächung des nutzbaren magnetischen Flusses ein. Aus diesem Grund ist bei Belastung des Motors für den gleichen Nutzfluß mehr Erregung je Pol erforderlich als bei Leerlauf. Ist die Erregerwicklung konstant, steigt beim Motor infolge der Ankerrückwirkung bei hoher Belastung die Drehzahl an. Außerdem werden in den einzelnen Wicklungen des Ankers verschieden große Spannungen induziert. Das hat zur Folge, daß die zwischen den Kommutatorsegmenten herrschenden Segmentspannungen verschieden groß werden. Diese Segmentspannung muß also sehr klein gehalten werden. Wird sie zu groß, bilden sich Funken oder ein Lichtbogen aus, der sich zum Rundfeuer erweitern kann. Die Ankerrückwirkung wird durch die sogenannten Kompensationswicklungen beseitigt, die das Ankerfeld unter den Polen der Wicklung aufhebt.

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3.7 Erregung der Gleichstrommaschine

Ein Elektromotor, der seine Felder aus einer Energiequelle speist, die unabhängig vom Ankerstromkreis ist, nennt man ihrer Erregungsart nach Fremderregung. Diese Erregung kann mittels eines Dauermagneten (siehe Bild 3.8 a)) oder eines Elektromagneten erfolgen.
Falls die elektrische Energie, die für die Erregung des Hauptfeldes notwendig ist aus dem Läuferkreis in die Wicklungen des Hauptpols geleitet wird, spricht man von einer Selbsterregung eines Gleichstrommotors (siehe Bild 3.8 b)). Hier unterscheiden wir zwei verschieden Typen:
Einmal kann die Erregerspule parallel zum Anker geschaltet werden. Man nennt eine solche Maschine Gleichstromnebenschlußmotor. Wenn Anker und Erregerwicklung in Serie geschaltet sind, spricht man hingegen von einem Gleichstromreihenschlußmotor. Der Gleichstromreihenschlußmotor zeichnet sich durch eine hervorragende Regelbarkeit der Drehzahl sowie optimaler Drehzahlkennlinien aus. Er findet deshalb große praktische Anwendung.
Bild 3.8 a) fremderregter Motor b) selbsterregter Motor

In Bild 3.8 sehen wir eine schematische Vereinfachung eines Motors mit Fremderregung und eines Motors mit Selbsterregung.

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3.8 Der Gleichstromnebenschlußmotor

Bild 3.9 Gleichstromnebenschlußmotor
Als Beispeil für einen Gleichstrommotor soll hier der Gleichstromnebenschlußmotor angeführt und beschrieben werden. In Bild 3.9 sehen wir einen werksmäßig gefertigten Gleichstromnebenschluß-motor mit Trommelanker. Wir können dabei einige bereits genannte und besprochene Bauteile erkennen: Rechts unten im Bild befindet sich die Bürstenhalterung, die die Kohle- oder Graphitbürsten trägt, über die der Strom in den Anker fließt. Gleich dahinter ist der Stromwender mit seinen zahl-reichen Segmenten angeordnet. In der Mitte ist der Läufer abgebildet; es handelt sich hierbei um einen sog. Trommelanker, wie er in Kapitel 3.5.2.1 beschrieben wurde. Etwas links sehen wir den Klemmkasten mit dem Klemmbrett. Hier befinden sich die gesamten Anschlüsse für den Ständerstromkreis, Ankerstromkreis usw. Ganz links draußen erkennen wir den Lüfter. Er ist ist an der Welle befestigt und dreht sich zusammen mit den restlichen Ankerteilen um die Wellenachse. Er dient zur Kühlung des Motors, der bei seiner Arbeitsleistung auch Wärme abgibt. Am Ring an der Oberseite des Ständers kann der Motor aufgehoben und transportiert werden.
Die Nebenschluß-Erregerwicklung ist parallel zum Ankerstromkreis geschaltet und an eine feste, gleichbleibende Spannung angeschlossen. Der Erregerstrom hängt somit nicht von der Belastung ab und beträgt nur wenige Prozent des Ankerstroms. Nebenschlußwicklungen weisen eine hohe Windungszahl N auf; der Draht der Wicklungen sollte dabei stets einen kleinen Durchmesser haben.
Im Bereich der Industrieantriebe werden vor allem fremderregte Gleichstrom-nebenschlußmotoren angewandt, da die Drehzahl dieser Maschinen leicht zu regeln ist. Im Gegensatz zum selbsterregten Gleichstromnebenschlußmotor besitzt er einen vom Ankerstrom getrennten Stromkreis, der nur die Erregerwicklungen durchfließt (Fremderregung). Falls die Spannung dieses Stromkreises konstant ist, entspricht das Schaltbild des Gleichstromnebenschlußmotors dem des fremderregten Gleichstromnebenschlußmotors.
Bild 3.9 Ersatzschaltbild eines fremderregten Gleichstrommotors
Der Kreis mit dem Motorzeichen M stellt die eigentliche Leiterschleife dar, die im Magnetfluß F der Erregerspulen rotiert. Infolge dieser Drehbewegung, die mit der Winkelgeschwindigkeit W = 2p n erfolgt (n ist die Drehzahl des Ankers), wird in den Erregerspulen eine Urspannunginduziert, die dem Ankerstrom IA entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Die Urspannung E hat dieselbe Richtung wie die Ankerspannung U: Sie geht von der Plusklemme A1 über den Kollektor in die Leiterschleifen des Ankers, welche den Widerstand RA aufweisen und von dort wiederum zurück über den Kollektor zur Minusklemme A2.
 
 
 
 


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3.8.1 Herleitung des Drehmoments

Damit die Erregerwicklung zum Elektromagneten wird und den magnetischen

Fluß F erzeugt, muß eine Spannung UE angelegt werden. Sie bringt den notwendigen Strom IE zum Fließen, der durch die Wicklungen der Spule fließt, die ihm den ohmschen Widerstand RE entgegensetzt. Für den Erregerkreis gilt: UE = IE RE. Das 2. Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) ergibt für den Ankerkreis U = E + IA RA.

Nach dem Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung dem Fluß F und der Winkel-geschwindigkeit W proportional: E=c FW ; wobei c die Maschinenkonstante ist. Sie wird von der Maschinenausführung bestimmt.
Die Welle des Motors führt eine Rotationsbewegung aus. Man kann deshalb an ihr eine mechanische Leistung PMECH = W M abnehmen. M ist dabei das vom Motor ent-wickelte Drehmoment.
Elektromotoren sind elektrisch-mechanische Energiewandler, folglich gibt es einen Zusammenhang zwischen ihren elektrischen Größen (IA) und ihren mechanischen Größen (M). Multipliziert man die Größe für die Spannung im Ankerkreis mit IA, erhält man eine Leistungsbilanz: U IA = E IA + I²A RA

U IA ist eine Summe, die sich aus zwei Teilen zusammensetzt: Der Leistungsanteil I²A RA wird allerdings nur in Joulsche Wärme umgesetzt; für die Erbringung einer mechanischen Leistung ist E IA verantwortlich. Diese mechanische Leistung setzt sich ihrerseits wieder aus zwei Komponenten zusammen: Zum einen aus der Leistung, die benötigt wird die Lager- und Lüfterreibung des Motors zu überwinden, zum anderen aus der eigentlichen Arbeitsleistung für den Betrieb der an den Motor gekoppelten Arbeitsmaschine. Es ergibt sich für die Leistungsbilanz:

E IA=PANTRIEB +PREIBUNG= W M+W MR.

In der Praxis ist die Antriebsleistung natürlich viel größer als die Leistung, die an die Reibung verlorengeht, sodaß PANTRIEB >>PREIBUNG und E IA = W M ist. Für E kann man c F W einsetzen. Man erhält M = c F IA.

Die vorherigen Gleichungen beschreiben das stationäre Verhalten des Gleichstromnebenschlußmotors, welches sich in seiner stationären Kennlinie äußert. Wichtig, weil von praktischer Bedeutung, sind hier die Drehzahl-Drehmomenten- kennlinien und die Ankerstrom-Drehmomenten-Kennlinien (M = c F IA ). 

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3.8.2 Herleitung der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie:

U = E + IA RA soll auf E aufgelöst und in (3.0) E = c FW eingesetzt werden:

(3.1) W = U / (c F ) – (IA RA) / (c F )

M= c F IA soll auf IA aufgelöst werden:

(3.2) W = U / (c F ) – (RA / (c F )²) M

Die Drehzahl ist mit n = W / 2p festgelegt:

(3.3) n = U / (2p c F ) – (RA / (2p (c F )²) M) = n0 - D n.
Bild 3.10   a) Verlauf von n nach Gl.(3.3)      b) Verlauf von I A nach Gl.(3.0)
Die Kurve verläuft sehr flach, der Fachmann würde sagen, sie ist "hart". Das heißt, daß der Drehzahlabfall bei Belastung mit dem Moment M an der Welle relativ klein ist. Dieses Verhalten nennt man "Nebenschlußverhalten". Es ist charakteristisch für die Gleichstromnebenschlußmotoren.
Falls M = 0, heißt die daraus folgende Größe n0Leerlaufdrehzahl. D n ist der Drehzahlabfall bei Belastung des Motors mit dem Moment M. Bild 3.10 zeigt den Verlauf von n (nach Gl. 3.3) und IA (nach Gl. 3.0).

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3.9 Die Drehzahlstellung beim Gleichstromnebenschlußmotor

Mit Gleichstromnebenschlußmotoren werden Arbeitsmaschinen angetrieben, die einen hochpräzisen Antrieb haben müssen und deshalb eine exakte Drehzahlstellung benötigen. Diese Arbeitsmaschinen machen also einen Motor erforderlich, bei dem man problemlos jede beliebige Drehzahl einstellen kann. In folgender Gleichung kann man drei Größen erkennen, über die das möglich ist:

n = U / (2p c F ) – (RA / (2p (c F )²) M) = n0 - D n

  1. Ankerspannung U (Spannungssteuerung)
  2. Hauptfeldfluß F (Feldsteuerung)
  3. Ankerwiderstand RA (Widerstandssteuerung)

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3.9.1 Spannungssteuerung

Falls der Erregerstrom IE und der magnetische Fluß F konstant gehalten werden sollen, muß der Motor fremderregt werden. Da U eine regelbare Größe (Parameter) ist, ändert sich beim Verstellen der Spannung auch die Nenn- und Bemessungs- spannung UN. In Bild 3.11 entstehen parallel gegeneinander verschobene Geraden. Zu beachten ist, daß sich bei der Umkehrung des Vorzeichens der Spannung auch die Drehbewegung der Welle ändert.
Bild 3.11 Kennlinienparameter U
Durch Auflösen der Gleichung (3.0) auf IA erkennt man, daß der Strom allein von der Wellenbelastung (Lastmoment M) abhängt:

(3.4) IA = M / (c F ).

Der Strom ist also unabhängig von der angelegten Spannung. Normalerweise würde man bei einem Anstieg der Spannung an den Polen eines Elektrogerätes auch einen Anstieg des Stromes erwarten. Da bei einem Drehzahl anstieg (also einer Vergrößerung der Klemmenspannung U) die in den Ankerwicklungen induzierte (Gegen-) Urspannung UE ansteigt, bleibt die Differenz zwischen U und UE konstant (siehe Gleichung

IA = (U–E) / RA ).

Bei diesem Elektromotor kann man also eine erstaunliche Eigenschaft feststellen: Falls die Belastung des Motors zunimmt, entnimmt er den zur Bewältigung der Last notwendigen Strom eigenständig dem Netz oder dem Speisgerät. Bei einem Verbren-nungsmotor hingegen muß man bei steigender Belastung (z.B. Kraftfahrzeug an Straßensteigung) das Gaspedal entsprechend durchtreten.
Die Drehzahlstellung eines Gleichstrommotors erfolgt heute fast ausschließlich über thyristorgesteuerte Gleichrichter (siehe Kapitel 1.4), die eine einfache Änderung der Gleichspannung zulassen.
 

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3.9.2 Feldsteuerung

 
Bild 3.12 Kennlinienparameter F
Wenn man den Fluß F verändert, so beeinflußt man dadurch sowohl die Leerlaufdrehzahl als auch den Drehzahlabfall (siehe Gleichung (3.3)). Verringert man bei gleichem Moment M den Wert von F , so steigt der Strom an (siehe Gleichung (3.4)). Man kann sich das auch anschaulich erklären, wenn man sich die Entsteh-ung des Drehmomentes M vor Augen hält: dazu ist nämlich eine Kraftwirkung zwischen dem Hauptfeld (Flußdichte B) und dem vom Strom IA durchflossenen Ankerwicklungen (Fluß F ) nötig. Wird eine der beiden Größen kleiner, muß folglich die andere ansteigen und umgekehrt, um das gleiche Moment M aufzubringen. In der Praxis wird dabei die Erregerspannug UE durch Thyristorgleichrichter (siehe Kapitel 1.4) verstellt, um die beschriebene Wirkung zu erlangen.
 
 

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3.9.3 Widerstandssteuerung:

Spannung und Fluß sind hierbei konstant. Verändert wird der wirkende Ankerwi-derstand RA Da dieser Widerstand nicht unterschritten werden kann, wird er durch Einschalten zusätzlicher Widerstände Rv (siehe Bild 3.13 a) ). in den Ankerkreis vergrößert (aus Gleichung (3.3) erhält man die Kennlinien für den Ankerwiderstand, die in Bild b) dargestellt ist).
Bild 3.13 a) Ankerkreis b) Kennlinien für den Ankerwiderstand
Die Drehzahl fällt mit steigendem Widerstand RV ab. Der Strom IA wird nicht verändert; die Leerlaufdrehzahl bleibt gleich.

Diese Methode der Drehzahlstellung wird heutzutage kaum mehr verwendet, da sie sehr verlustreich ist. Man findet sie noch ab und zu bei kleineren Antrieben.






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3.10 Anlassen und Bremsen

Anlassen und Bremsen eines Motors sind dynamische Vorgänge. Sobald der Motor eine konstante Drehzahl erreicht hat, nennt man dein Verhalten stationär.

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3.10.1 Anlassen

Gehen wir von einem stillstehenden Motor aus, an dessen Anker man die Spannung U anlegt (z.B. Nennspannung der Maschine): weil W = 0, wird nach Gleichung E = c F W auch keine Gegenspannung E in den Erregerspulen induziert, d.h. E = 0. Der Einschaltstrom beträgt also nach der Gleichung IAein = U / RA. Da nun im Moment des Einschaltvorgangs die Urspannung E = 0 ist, kann der Strom das Achtfache seines "Normalwertes" ( = stationären Wertes) annehmen. Bei kleinen Gleichstrommaschinen kann ein solcher Stromanstieg hingenommen werden. Bei Motoren mit mehreren kW Leistung muß man hingegen Hilfsmittel zur Begrenzung des Stroms im Ankerkreis einfügen. Dies kann auf zweierlei Art geschehen:
Wenn man die Spannung nicht mit ihrem vollen Nennwert an den Läuferkreis anlegt, beginnt sich der Anker langsam zu drehen. Auch bei dieser langsamen Rotationsbewegung wird bereits eine Gegenspannung in den Erregerwicklungen induziert, sodaß man nun die Spannung U weiter steigern kann. Diese Spannungssteigerung nennt man "Hochfahren" eines Elektromotors. Sie erfolgt über einen Thyristorgleichrichter und wird solange fortgesetzt, bis die Betriebsdrehzahl des Motors erreicht ist.
Früher wurde häufig ein sogenannter Widerstandsanlasser zum Hochfahren eines Elektromotors benutzt. Dabei hat man im Einschaltmoment Widerstände in den Ankerkreis zugeschaltet. Mit Erhöhung der Drehzahl hat man diese Widerstände wieder stufenweise abgeschaltet.

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3.10.2 Bremsen

Beim Bremsen des Gleichstrommotors haben wir ähnliche Verhältnisse wie beim Anlassen. Schaltet man nämlich die Ankerspannung U abrupt ab, so steigt der Strom in den Ankerwicklungen stark an: IAaus = - E / RA. Dies ist durch die sich drehende Leiterschleife im Erregerfeld zu erklären, in welche eine Spannung -E induziert wird. Da die kompensierende Wirkung der Ankerspannung U fehlt, steigt der Strom also an, das heißt, die Spannung U muß vor dem Abschalten schrittweise herabgesetzt werden. Dies kann durch gesteuerte Gleichrichter oder mit Ankerwiderständen erfolgen. Die Spannungssteuerung wird hier allerdings bei weitem bevorzugt, da sie es ermöglicht, die Bewegungsenergie ins Netz, aus welchem der Motor versorgt wird, zurückzu-speisen (Nutzbremse).

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